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Les transferts quantiques d'énergie

La notion de quantification de l'énergie introduite par Planck a ouvert la voie vers la physique quantique et vers de nouvelles applications révolutionnaires. L'une des conséquences de la quantification de l'énergie est l'émission et l'absorption de photons par la matière. En contrôlant ces transitions, il a été possible de concevoir une nouvelle source lumineuse aux propriétés uniques : le LASER.

I

Les transitions énergétiques des particules

A

L'absorption et l'émission spontanée

Les particules possèdent différents niveaux d'énergie, qu'il s'agisse d'un atome, d'une molécule, d'un ion. Ces particules peuvent passer d'un niveau à un autre par émission ou absorption spontanée.

Absorption spontanée

L'absorption spontanée correspond au transfert d'une particule d'un état désexcité \(\displaystyle{E_1}\) vers un état excité \(\displaystyle{E_2}\) (\(\displaystyle{E_1<E_2}\)) par absorption d'un photon d'énergie \(\displaystyle{\Delta E}\) et de fréquence \(\displaystyle{\nu}\) si :

\(\displaystyle{\Delta E=E_2-E_1=h\cdot\nu}\)

-
Absorption spontanée d'un photon

Émission spontanée

L'émission spontanée correspond au transfert spontané d'une particule dans un état excité \(\displaystyle{E_2}\) vers un état désexcité \(\displaystyle{E_1}\) (\(\displaystyle{E_2>E_1}\)) par émission d'un photon de fréquence \(\displaystyle{\nu}\) tel que :

\(\displaystyle{E_2-E_1=h\cdot\nu}\)

-
Émission spontanée d'un photon
B

L'émission stimulée

Émission stimulée

L'émission stimulée correspond à un phénomène d'émission par transfert d'une particule entre un état excité \(\displaystyle{E_2}\) et un état désexcité \(\displaystyle{E_1}\) sous l'action d'un photon incident de fréquence v et d'énergie \(\displaystyle{\Delta E=E_2-E_1}\). Le photon émis par le transfert est identique au photon incident.

C

Les transitions et les domaines spectraux

En fonction de la nature de la particule considérée, les niveaux d'énergie seront différemment espacés et les photons absorbés ou émis appartiendront à des domaines de fréquence différents :

  • Un atome change de niveau d'énergie par transfert d'électrons qui émettent ou absorbent des photons appartenant au domaine de l'ultraviolet et du visible. Ce sont des transitions électroniques.
  • Une molécule passe d'un état vibratoire à un autre par émission ou absorption de photons appartenant au domaine de l'infrarouge.
II

Le LASER

LASER est un acronyme qui signifie "Lumière amplifiée par émission stimulée de radiation".

A

Le principe de l'amplification de l'émission stimulée

Le LASER est basé sur l'émission stimulée de photons par désexcitation d'atomes. Pour cela, on enferme un gaz d'atomes dans une cavité fermée :

-

Cavité du laser

Deux phénomènes sont alors en compétition : l'absorption et l'émission. Pour que l'émission l'emporte, on réalise un pompage optique.

Pompage optique

Le pompage optique consiste à faire passer une majorité d'atomes dans un état excité afin qu'ils puissent émettre des photons en utilisant des flashs lumineux.

-
Effet du pompage optique

Grâce au pompage optique, on peut augmenter rapidement le nombre de photons. Les atomes étant de même nature, tous ces photons ont strictement la même fréquence et la même énergie mais sont émis dans toutes les directions de l'espace. On utilise alors un miroir et un miroir semi-réfléchissant afin de sélectionner une direction privilégiée pour les photons émis :

-

Cavité résonante du LASER

La réflexion des photons et le pompage optique permettent d'entretenir l'amplification. Seuls les photons ayant une direction perpendiculaire au miroir peuvent sortir de la cavité et produire un faisceau lumineux.

B

Les propriétés du LASER

1

La directivité

Le LASER est une source lumineuse qui ne se propage que dans une direction privilégiée contrairement aux autres sources lumineuses. On dit que le LASER est une source directive.

Les lasers sont utilisés pour effectuer des mesures de distances très précises dans le domaine du bâtiment car les faisceaux lumineux issus d'un laser sont parfaitement rectilignes.

2

La monochromaticité

Source monochromatique

Une source monochromatique émet une radiation lumineuse composée d'une seule longueur d'onde.

Un LASER a une longueur d'onde précise parfaitement définie qui dépend de la nature des atomes utilisés pour produire le faisceau. Le LASER est donc une source de lumière monochromatique.

Le LASER utilisé pour lire des CD et des DVD est un faisceau lumineux dont la longueur d'onde est de 780 nm (émission dans le rouge) alors que celui utilisé pour lire les disques Blu-ray est un faisceau dont la longueur d'onde est de 405 nm (émission dans le bleu).

3

La concentration énergétique

  • L'énergie d'un faisceau issu d'un LASER se propage selon une direction privilégiée. On parle alors de concentration spatiale de l'énergie.
  • Un LASER peut émettre un faisceau sur un laps de temps très court appelé pulsation. La puissance instantanée du faisceau peut alors être très grande. On parle de concentration temporelle de l'énergie.

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